電力輸送的傳統(tǒng)方式是采用架空線，但是在一些環(huán)境有限制的場合就需要采用地下輸電線的解決方案。現(xiàn)今已經(jīng)有一些地下輸電線的方式，其中最普遍的就是電纜，然而氣體絕緣輸電線路（GIL）也是一種經(jīng)常用到的解決方案。

　　本文將對架空線、電纜和GIL從技術(shù)、現(xiàn)場、軟特性和經(jīng)濟(jì)性作出比較，不為比較孰優(yōu)孰劣，只是想通過比較來強(qiáng)調(diào)GIL，突出GIL的特點(diǎn)，讓大家更了解GIL！

　　本文內(nèi)容來自《氣體絕緣輸電線路》。此書對GIL技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境影響以及電力系統(tǒng)應(yīng)用方面的分析，對該技術(shù)的物理設(shè)計(jì)、特性以及優(yōu)點(diǎn)提供了完整的認(rèn)識，對GIL如何在規(guī)劃階段成為最佳解決方案，以及如何應(yīng)用在電力系統(tǒng)中作了闡述。

　　

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　　除GIL外，目前的主要輸電方式是架空線和固體絕緣電纜。如果只考慮經(jīng)濟(jì)方面的因素，架空線方式的成本最低。但在一些情況下，由于公眾的反對或沒有空間，架空線方案就不可行。這種情況經(jīng)常發(fā)生在大都市、城市中心、機(jī)場或生態(tài)保護(hù)區(qū)。

　　當(dāng)需要更高的電力輸送能力時(shí)，GIL就有優(yōu)勢了，一條GIL線路可以替代2條電纜線路。

　　關(guān)于架空線和電纜的相關(guān)知識，小編也給大家找到了參考書籍！

　　

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　　GIL的特點(diǎn)

　　GIL可以在地下傳輸架空線的全部負(fù)荷（如2000MVA）而不需要安裝并排的其他設(shè)備和強(qiáng)迫風(fēng)冷裝置。GIL可以直接地埋安裝，隧道安裝或者安裝在地面上。GIL不需要安裝電抗器作為補(bǔ)償，即使用于60~80km的輸電線路。GIL是一個(gè)安全的輸電系統(tǒng)。所有材料都是不燃的，并且絕緣氣體也是無毒的。GIL技術(shù)在高壓輸電領(lǐng)域已有40年的安全可靠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

表1 GIL的特點(diǎn)

　　技術(shù)比較

　　每種技術(shù)（架空線、電纜系統(tǒng)和GIL）都有各自的特點(diǎn)。在對比中，由于功能的相互依賴，很難有一個(gè)簡單的答案說哪種方案是最佳的。在此只說明原則上的對比，對影響大或小可以給出定量的分析。每個(gè)工程項(xiàng)目都有其自身的特點(diǎn)，技術(shù)方面的影響是各自不同的。這就是為什么需要對每個(gè)工程項(xiàng)目做各自的分析。

　　1.損耗

　　輸電系統(tǒng)的損耗可分為與負(fù)荷有關(guān)的損耗、介電損耗及與運(yùn)行設(shè)備有關(guān)的損耗（如電抗器或電容器組的補(bǔ)償損耗）等。以下是和輸電系統(tǒng)有關(guān)的各類損耗的實(shí)例。

　　GIL/電纜損耗和輸電系統(tǒng)的阻抗有著直接的關(guān)系。通常對于大容量的輸電系統(tǒng)，架空線和GIL都采用鋁導(dǎo)體，而電纜采用銅導(dǎo)體。導(dǎo)體截面的大小和材料性能是損耗的基礎(chǔ)，見表2。

表2 1100MVA輸電損耗例子

　　與負(fù)載有關(guān)的損耗應(yīng)用到一個(gè)輸送容量為1100MVA的輸電系統(tǒng)。電纜屏蔽的損耗已經(jīng)通過采用交叉接地進(jìn)行了優(yōu)化，見表2。

　　介電損耗、與負(fù)載有關(guān)的損耗完全取決于所使用的絕緣介質(zhì)。但它們在GIL系統(tǒng)中，幾乎可以忽略不計(jì)，因?yàn)镚IL采用了氣體絕緣技術(shù)，而且內(nèi)部所使用的絕緣件的數(shù)量也非常少。與負(fù)荷相關(guān)的損耗與負(fù)荷電流的平方成正比，并取決于導(dǎo)體的截面積和直徑。由于采用了大截面的導(dǎo)體，GIL呈現(xiàn)比充油電纜或XLPE（交聯(lián)聚乙烯）電纜更低的導(dǎo)體的損耗。圖1是各類損耗與電網(wǎng)傳輸容量的關(guān)系。使用交叉接地的好處是減少了電纜外殼的電流，其外部的電磁場與外部完全接地的系統(tǒng)相比要高。

圖1 各類400kV輸電系統(tǒng)和充油電纜損耗的比較

　　表3給出了每公里電感和電容的數(shù)值。可以看出負(fù)載的容量，和每單位長度的電容成正比，GIL要遠(yuǎn)小于兩種電纜。這就是說，按照輸電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，當(dāng)使用GIL時(shí)，其所需要的電抗器補(bǔ)償?shù)馁M(fèi)用要少很多。

表3 充油電纜、XLPE電纜和GIL的主要物理參數(shù)

　　通常線路的傳輸容量和波阻抗有關(guān)。對此，可以看出GIL的波阻抗和電纜幾乎相同，也就是說，GIL可以擁有和通常線路一樣的傳輸容量。

　　若僅考慮輸電系統(tǒng)的設(shè)備投資（要少于運(yùn)營費(fèi)用），可以看出，對于輸送容量小的系統(tǒng)，采用自然冷卻方式的電纜系統(tǒng)的造價(jià)要比輸送容量相當(dāng)?shù)腉IL低。對大容量的輸電系統(tǒng)，電纜方式則需要采用強(qiáng)迫風(fēng)冷、水冷或平行多拼結(jié)構(gòu)的電纜。這就大大增加了輸電系統(tǒng)的造價(jià)。圖2給出了造價(jià)和輸送容量的關(guān)系。可以看出，采用自然冷卻的GIL輸電系統(tǒng)，和同等的電纜系統(tǒng)相比，有著更高的傳輸功率和較低的造價(jià)。該對比是基于在一般地貌的隧道安裝或直接地埋的GIL。

圖2 圖表：電纜和GIL系統(tǒng)的成本對比

　　如果是需要大傳輸容量的地下輸電系統(tǒng)來取代架空線的工程，GIL（優(yōu)勢是運(yùn)行的可靠性和投資成本）是替代電纜的方案。

　　2.磁場

　　對于建在永久居住地或辦公區(qū)域的輸電線系統(tǒng)，磁場是一個(gè)評估依據(jù)。磁場直接來自于導(dǎo)體中流經(jīng)的電流，對于完全接地的GIL和交叉接地的電纜，外殼和屏蔽層的電流也會產(chǎn)生磁場。

　　以下研究的架空線架設(shè)在“多瑙河塔形”的鐵塔上，有兩回400kV系統(tǒng)。每側(cè)的三相架空線為三角形的懸掛布置。GIL和電纜都是單相平行安裝在地下，至少有1m深的土壤所覆蓋。下圖顯示了輸電系統(tǒng)周圍的磁場分布。可以看出，對于GIL，其磁場強(qiáng)度只有其他設(shè)備的1/10~1/20。

架空線、電纜和GIL的磁通量密度的對比

　　磁場高的區(qū)域在架空線的三相導(dǎo)線形成的三角形區(qū)域內(nèi)，見圖3。磁場在架空線外側(cè)隧道逐漸降低，到40m的范圍會減少到5μT以下。

圖3 輸電系統(tǒng)周圍磁場分布

　　磁場最高的區(qū)域位于交叉接地的電纜，見圖3。該值隨著離開電纜迅速減小，在20m處已接近于零。電磁場的峰值是30μT位于電纜正上方。

　　架空線附近的電磁場較為小，為24μT，但由于架空線鐵塔的建筑物的高度的影響，電磁場傳播到邊緣，在距離40m的地方已經(jīng)到了5μT。電磁場最小的是GIL，在GIL的頂部僅為2μT。

　　每個(gè)項(xiàng)目的電磁場都需進(jìn)行計(jì)算，這些值和電流的大小、設(shè)備的布置有關(guān)。此處僅進(jìn)行了原理性的介紹。

　　3.電壓額定值

　　目前電網(wǎng)運(yùn)行的最高電壓等級見表4。

表4 交流輸電系統(tǒng)的最高運(yùn)行電壓等級

　　1100kV或者1200kV架空線的塔高為80~120m。從550kV架空線的鐵塔高度到1100kV架空線的鐵塔高度，增加了一倍，從40m增加到80m。而相應(yīng)的GIL的外徑從500mm增大到650mm，不到20%。也就是說，電壓等級越高，GIL的絕對造價(jià)和架空線相比越接近。550KV的XLPE（交聯(lián)聚乙烯）電纜是如今使用的最貴的電纜。至今還在420kV電壓等級的范圍中廣泛應(yīng)用。

　　最新的800kVGIL是位于中國的水電站，從2008年已投運(yùn)至今。世界范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)電壓是550kV和420kV。

　　GIL用N2和SF6氣體作為絕緣氣體，運(yùn)行在6bar壓力下，和用空氣作為絕緣的架空線相似。所以，GIL的電氣特性和架空線基本一致。

　　4.電流額定值

　　用四分裂導(dǎo)線的典型架空線的額定電流是3000A。典型1600mm?2;截面積的銅芯電纜的額定電流時(shí)2000A，2500mm?2;的電流是2500A。這些典型額定值還和設(shè)備的布置方式有關(guān)，例如隧道或直埋式布置。

　　420kV和550kV的GIL在隧道和直埋式布置方式下的額定電流是3000~4000A。但當(dāng)用于地面上布置時(shí)，電流可到8000A。額定電流是每個(gè)GIL項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和技術(shù)要求的部分內(nèi)容。

　　電壓越高，GIL的外殼和導(dǎo)體就越大。800kV GIL的外殼直徑為630mm，額定電流可到5000A。1200kV GIL的外殼直徑可到800mm，其電流可到6000A。

　　5.短路電流額定值

　　額定短路電流是一個(gè)較為復(fù)雜的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，這個(gè)數(shù)值直接影響到導(dǎo)體和接地系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)需要考慮導(dǎo)體間電磁場的作用力以及GIL導(dǎo)體和外殼、電纜屏蔽層和架空線接地線的熱效應(yīng)。63kA的短路電流時(shí)標(biāo)準(zhǔn)值。有些項(xiàng)目中為80kA，甚至一些項(xiàng)目達(dá)到100kA。GIL的完整接地和外殼的交叉互聯(lián)接地可滿足這些高的額定值。

　　輸電系統(tǒng)的架空線用自己的接地線來保證安全接地系統(tǒng)連接到后面的變電站，可以使用保護(hù)系統(tǒng)來跳開這條線路。短路電流的極限是由導(dǎo)體的極限耐受能力，以及接地線的橫截面的大小和導(dǎo)線的過熱能力來決定。增大短路電流額定值需要加大架空線的投資。由于額定短路電流的限制，電纜需要有電纜故障保護(hù)來保護(hù)電纜在短路電流下不會損壞。若額定短路電流太高，電纜屏蔽層的截面太小會造成過熱。

　　6.過電壓

　　過電壓來自于電網(wǎng)上的開合操作或架空線遭受的雷擊。過電壓可以傳導(dǎo)到與之相連的架空線、GIL或者電纜上。架空線采用鐵塔上的絕緣子作為過電壓放電裝置。GIL和電纜可以通過提高絕緣水平來耐受過電壓。通常，連接在架空線上的GIL和電纜可以采用裝在連接處的避雷器來保護(hù)。現(xiàn)在，GIL和電纜的過電壓保護(hù)避雷器已經(jīng)非常有效了，可以保護(hù)它們不受高頻的暫態(tài)過電壓的危害。

　　7.溫度限制

　　取決于材料的性能，架空線的溫度限制是由絕緣子決定的，為100~120℃。增加架空線的長度并限定架空線的垂度來保證到地面的安全距離，可以提高溫度范圍。

　　電纜的溫度極限由絕緣材料的性能和土壤或者隧道的最高溫度來決定。溫度極限由電纜的長度或者電纜接頭來確定。對于直埋式電纜，最高溫度是40~50℃，當(dāng)安裝在隧道時(shí)為60~70℃。

　　GIL的運(yùn)行的最高溫度由絕緣材料來決定，其溫度在105~120℃。按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的可觸摸溫度，對于直埋式GIL，土壤溫度的范圍是40~50℃，當(dāng)安裝在隧道時(shí)為60~70℃。

　　現(xiàn)場的比較

　　現(xiàn)場運(yùn)輸線路對GIL的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性有著重要的影響。線路規(guī)劃是一個(gè)復(fù)雜的調(diào)研過程，有著大量的相關(guān)工作。下面對一些參數(shù)進(jìn)行了解釋。

　　軟特性

　　經(jīng)濟(jì)性

　　輸電系統(tǒng)比較是一個(gè)復(fù)雜的課題，每個(gè)項(xiàng)目從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面的差別都非常大。多重因素影響了輸電系統(tǒng)的技術(shù)結(jié)構(gòu)和投資。純粹的技術(shù)參數(shù)在輸電線路上主要是電壓、電流、短路電流、過電壓、溫升極限及電磁場的極限。另外，現(xiàn)場的條件也是要考慮的，如最大運(yùn)輸重量和尺寸、土壤的特性、運(yùn)輸?shù)缆泛凸ぷ鲌龅匾矊尚行匝芯亢屯顿Y有重大影響。在運(yùn)行階段，一些“軟指標(biāo)”，如外觀的美化、隱藏、噪聲等對項(xiàng)目的運(yùn)行，或許會成為最困難的問題。有些因素，如風(fēng)景區(qū)的保護(hù)、自然保護(hù)區(qū)、對動植物的影響等，都需要在電網(wǎng)建設(shè)階段進(jìn)行考慮，這些因素或許可以讓一個(gè)輸電項(xiàng)目下馬。

　　推薦閱讀：《氣體絕緣輸電線路》

　　對參與地上、隧道或直埋大容量輸電系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建設(shè)的工程師來說，本書是基本的參考資料。本書提供了這一領(lǐng)域所有內(nèi)容的總結(jié)。點(diǎn)擊購買

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